高速铁路32 m优化简支箱梁静载试验研究

石龙

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

21 世纪初，我国在秦沈客运专线建设中开始应用跨度24 m 标准简支箱梁，确立了梁场预制、运梁车运输、架桥机架设的高速铁路标准梁施工模式［1］。2007年郑西高速铁路建设中，首次应用并定型了350 km/h的32 m 标准简支箱梁，梁高取3.0 m。后期发布的通用参考图中箱梁结构尺寸除桥面宽度外其余参数均变化不大［2-3］，特别是跨中腹板厚度，因采用预应力双排布束，受制于管道间距的构造要求，均为450 mm。随着高速铁路简支箱梁应用经验的积累、预应力体系的发展，32 m标准简支箱梁存在一定的优化空间［4-5］。

2017 年以来，中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所结合国铁集团科研课题，开展了350 km/h 32m 简支箱梁的优化工作，结合应用需求对优化后的32 m 简支箱梁制作了足尺试验梁进行试验研究。为评估箱梁的整体受力和变形是否满足设计要求，有必要开展足尺试验梁的1.2级静载弯曲试验，开裂、重裂试验和2.0 级破坏性试验。本文对试验中的箱梁应变、挠度等数据进行了分析，为优化箱梁的设计和应用提供支撑。

1 足尺试验梁设计

1.1 优化设计方案

结合高速铁路箱梁前期设计和试验成果［6］，提出梁高为2.8，3.0 m共2种优化设计方案［7-8］。足尺试验梁为梁高2.8 m箱梁优化方案，截面尺寸见图1。与既有32 m 箱梁相比，腹板预应力采用单排布束，腹板厚度由450 mm减小为360 mm。

图1 32 m足尺试验梁截面尺寸（单位：mm）

1.2 主要设计参数

32 m 箱梁主要设计参数见表1。与既有32 m 箱梁相比，优化足尺试验梁的混凝土用量减少了12%，基频与挠跨比均有所降低。

表1 32 m箱梁主要设计参数

2 试验加载及测点布置

2.1 试验加载

静载试验包含1.2级静载弯曲试验，开裂、重裂试验和2.0 级破坏性试验。采用纵向5 排加载方式，每排间距4 m。每排横向采用2点加载，加载点作用于箱梁腹板中心处顶板，加载图示见图2。试验加载采用静载试验自动加载系统，可控制各级单顶力偏差在0.5%以内。试验加载荷载考虑桥面二期恒载尚未施加及预应力收缩徐变损失尚未完成等因素，箱梁各级荷载下单顶力见表2。

图2 静载试验加载图式（单位：mm）

表2 静载试验箱梁各级荷载下单顶力 kN

2.2 测点布置

1）跨中底板底面测点

在跨中截面底板底面沿梁体纵向3 m 范围内布置外贴式钢弦应变计（图3），共30个测点。

图3 底板底面测点布置（单位：mm）

2）跨中截面及1/4截面测点

在跨中截面布置外贴振弦应变计（图4），共22 个测点。

图4 跨中截面测点布置（单位：mm）

3）百分表测点布置

在跨中截面和两端支座中心线截面左右各布置1个百分表测试梁体跨中挠度，共6个百分表。

3 试验结果

3.1 静载弯曲试验

1）跨中挠度

1.2级静载弯曲试验箱梁跨中挠度见图5。可见：①箱梁跨中挠度与单顶力保持良好的线性关系，相关系数均大于0.999，荷载作用下梁体处于线弹性工作状态。②箱梁实测跨中静活载挠度为5.78 mm，对应挠跨比1/5 413，小于设计挠跨比1/4 193，箱梁竖向刚度满足要求。③根据挠度结果推算出试验时箱梁梁体平均弹性模量为45.8 GPa。

图5 1.2级静载弯曲试验箱梁跨中挠度

2）跨中截面中性轴高度

1.2 级静载弯曲试验箱梁跨中截面沿梁高的应变见图6。可知：K=1.0级与K=1.2级时实测箱梁截面中性轴高度分别为1.838，1.875 m，平均值为1.864 m，与设计值1.820 m接近。

图6 1.2级静载弯曲试验箱梁跨中截面沿梁高的应变

3）跨中底缘应变

图7 1.2级静载弯曲试验箱梁跨中底缘应变

1.2 级静载弯曲试验箱梁跨中底缘（3.0 m 范围内）应变见图7。可见：①箱梁跨中截面底缘各测点的混凝土实测应变与单顶力呈线性关系，相关系数均大于0.999，未出现明显增大或减小的现象，箱梁混凝土处于弹性工作状态；②加载至1.2 倍设计荷载时箱梁跨中下缘混凝土实测平均应力为13.99 MPa（弹性模量取45.8 GPa），与理论计算值12.51 MPa接近。

3.2 开裂、重裂试验

1）应变测试

开裂试验箱梁跨中底缘应变见图8。可知，当K＜1.40 级时，实测应变与加载荷载有较好的线性关系；当K在 1.40～1.45 级时，测点应变出现了拐点；继续加载，部分测点应变急剧增大，两侧测点应变有所减小，表明箱梁截面底缘出现了裂缝。

图8 开裂试验箱梁跨中底缘应变

开裂试验箱梁首条裂缝出现在4#测点，其应变见图9。理论应变按全截面计算，弹性模量取静载实测弹性模量。可知，箱梁跨中开裂荷载约为1 340 kN，对应梁体抗裂安全系数为1.434，与设计值1.440接近。

图9 开裂试验箱梁首条裂缝区域应变

4#测点开裂与重裂试验应变对比见图10。可知：当K＜1.15 级时，重裂试验与开裂试验测点应变吻合良好，表明梁体底缘尚未消压；当K≥1.15 级以后，重裂试验测点应变增量逐渐增大，表明梁体底缘消压后裂缝张开。可知，足尺试验梁跨中重裂荷载约为962 kN，对应荷载等级为1.121，略大于设计值1.090。

图10 4#测点开裂、重裂试验应变对比

2）挠度测试

开裂试验箱梁跨中挠度见图11。可知：当K≤1.50时，挠度与荷载具有良好的线性关系；当K＞1.50 级时，由于裂缝的出现梁体刚度降低，挠度与荷载关系曲线出现拐点。挠度拐点相比应变拐点有所滞后。

图11 开裂试验箱梁跨中挠度

开裂、重裂试验箱梁跨中挠度结果对比见图12。可知：当K≤1.30 级时，重裂试验与开裂试验跨中挠度基本一致；当K＞1.3 级时，重裂试验与开裂试验跨中挠度有一定差异。

图12 开裂、重裂试验箱梁跨中挠度结果对比

3.3 2.0级破坏性试验

2.0级破坏性试验裂缝分布如图13所示。试验梁在破坏试验阶段裂缝开展情况如下：①K＞1.65 级时，箱梁跨中6.0 m 范围内的下缘陆续产生新的弯曲裂缝，靠近箱梁跨中L/4～3L/8的腹板陆续产生新的弯剪斜裂缝，并延伸至底板。②K＞1.80 级时，靠近箱梁梁端L/10～L/4的腹板陆续产生腹剪斜裂缝，未延伸至底板（首条腹剪斜裂缝于重裂试验K=1.80 级时产生）。③K=1.90 级时，跨中弯曲裂缝、斜裂缝延伸至腹板与翼缘板圆倒角处。④K=2.00 级时，梁体裂缝分布均匀，裂缝形态和发展趋势正常，跨中裂缝间距在15～25 cm，裂缝宽度约0.8 mm，梁端腹剪裂缝宽度在0.25～0.40 mm，梁体未出现混凝土压溃或预应力钢绞线断丝等破坏迹象。⑤卸载后跨中裂缝基本闭合，梁端腹剪斜裂缝有所残余，梁体挠度基本恢复（残余量2.6%）。总体上试验梁强度安全系数满足设计图纸要求。

图13 2.0级破坏性试验裂缝分布（单位：m）

4 结论

1）足尺试验梁1.2 级荷载作用下的静活载挠度、跨中截面应力均满足设计要求，截面中性轴高度与设计值接近。

2）足尺试验梁应变测试得到的开裂荷载等级为1.434，重裂荷载等级为1.121，与设计值接近。

3）2.0 级破坏性试验，梁体裂缝形态和发展趋势正常，未出现混凝土压溃或预应力钢绞线断丝等破坏迹象，卸载后梁体跨中正截面裂缝闭合、挠度基本恢复。

4）优化后箱梁的各项静载受力指标满足设计要求。